Location of Repository

Οπτική παγίδευση και βιολογικές εφαρμογές

By Δημήτριος Μπελεσιώτης and Dimitrios Mpelesiotis

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στον Τομέα Φυσικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, με επιβλέπουσα την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Δρ. Μυρσίνη Μακροπούλου. Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με την μια μορφή οπτικής παγίδας, η οποία είναι γνωστή ως οπτικές λαβίδες (optical tweezers). Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο θα παραθέσουμε μια γενική και ευκόλως κατανοητή περιγραφή του φαινομένου της οπτικής παγίδευσης καθώς επίσης θα αναφερθούμε γενικά στους τομείς στους οποίους χρησιμοποιείται το φαινόμενο αυτό. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται βασικές θεωρητικές αρχές απαραίτητες για την κατανόηση της φύσης και της μορφής των δυνάμεων που καθιστούν δυνατή την ύπαρξη μιας οπτικής παγίδας.Στο πρώτο μέρος του κεφαλαίου αυτού θα εξηγήσουμε το φαινόμενο αυτό με φαινόμενα απλής γεωμετρικής οπτικής(σκέδαση,ανάκλαση,διάθλαση κλπ) το οποίο βρίσκει εφαρμογή σε υπο παγίδευση σωματίδια των οποίων το μέγεθος είναι μεγαλύτερο από το μήκος κύματος της δέσμης laser που χρησιμοποιούμε(Σωματίδια Mie). Στο δεύτερο μέρος του κεφαλαίου αυτού θα περιγράψουμε το φαινόμενο της οπτικής παγίδας με το ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο για σωματίδια μικρότερα από το μήκος κύματος της δέσμης laser(Σωματίδια Rayleigh). Στο τρίτο κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας του laser με τα βιολογικά μόρια και θα πούμε για τις πιο γνωστές εφαρμογές της οπτικής παγίδευσης στην βιολογία και στην ιατρική και θα διαπιστώσουμε ποσο σημαντική είναι αυτή η εξέλιξη στους τομείς αυτούς. Στο τέταρτο κεφάλαιο θα αναλύσουμε ένα προς ένα τα μέρη από τα οποία αποτελείται μία διάταξη οπτικής παγίδευσης και θα αναφέρουμε τα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να έχει κάθε τμήμα ξεχωριστά ετσι ώστε να έχουμε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα οπτικής παγίδευσης.Τέλος θα περιγράψουμε την δική μας εργαστηριακή διάταξη που στήθηκε στο εργαστήριο του τομέα φυσικής της σχολής και θα παραθέσουμε τα αποτελέσμτα των πειραμάτων που παραγματοποιήθηκαν καθώς και τα συμπεράσματα από αυτά. Στο πέμπτο κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με τον προσδιορισμό των επαγώμενων δυνάμεων κατά την οπτική παγίδευση.Στην αρχή θα αναφέρουμε τις ευρέως γνωστές μεθόδους βαθμονόμησης μιας διάταξης οπτικής παγίδευσης.Η βαθμονόμηση πραγματοποιείται πάνατ κατά την κατασκευή μιας καινούριας διάταξης για τον προσδιορισμό των επαγώμενων δυνάμεων ως συνάρτηση της ισχύος του laser.Κυρίως θα επικεντρωθούμε στην μέθοδο της διηλεκτροφόρησης και θα παρουσιάσουμε και κάποια πειράματα που έχουν παραγματοποιειθεί στα εργαστήρια οπου η βαθμονόμηση έγινε με την μέθοδο αυτή. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο θα μιλήσουμε για τις προοπτικές εξέλιξης της οπτικής παγίδευσης με την χρήση εξεληγμένων οργάνων όπως είναι το ανάστροφο μικροσκόπιο καθώς επίσης τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα της εξέλιξης αυτής.This diplomatic work carried out in the field of Faculty of Applied Mathematical and Physical Sciences of the National Metsovian Polytechnics School, supervised by the Assistant Professor Dr. Mirsini Makropoulou. In this work we will be working on a form of optical trap, which is known as optical tweezers (optical open). In particular, the first chapter will give a general and more comprehensive description of the phenomenon of optical trapping as well as mentioned in general in the areas in which is used as an illustration of this phenomenon. In the second section basic theoretical principles necessary for the understanding of the nature and form of the forces which make possible the existence of an optical trap, are listed. In the first part of this chapter we will explain the phenomenon with apparently simple geometric optical (scatter, reflection, refraction etc) which finds application in sub trapping particles whose size is larger than the wavelength of the laser beam used (Mie particles). In the second part of this chapter we will describe the phenomenon of optical trap with the electromagnetic model for particles smaller than the wavelength of the laser beam (particles Rayleigh). In the third section we will present the interaction of the radiation of the laser with the biological molecules and would refer to the most well-known applications of optical trapping in biology and in medicine and we will see significant amount is this development in these areas. In the fourth section we will analyze one by one the parties from which a device optical trapping consists of and we will address the characteristics that each part separately should have, so that we have the best possible result optical trapping. Finally, we will describe our own laboratory provision that has been set up in the laboratory of school of physics and will vastly monitor the experiments that have been conducted and the conclusions from them. The fifth chapter will deal with the determination of resulted forces during the optical trapping. At the beginning we will cite the widely known calibration methods of optical trapping. The calibration takes place always during the construction of a new layout for the determination of resulted forces as a function of the power of the laser. Mainly we will focus on the method of di-electrophoresis and we will present some experiments which have been performed in the laboratories where the calibration was done by this method. The sixth and final chapter will talk about the prospects for development of optical trapping using sophisticated units such as the reverse microscope as well as the disadvantages and the advantages of this development

Topics: Μέθοδος οπτικής παγίδευσης, Εφαρμογές, Method of optical trapping, Uses
Year: 2016
OAI identifier: oai:dspace.lib.ntua.gr:123456789/42788
Provided by: DSpace at NTUA
Download PDF:
Sorry, we are unable to provide the full text but you may find it at the following location(s):
  • http://dspace.lib.ntua.gr/hand... (external link)
  • Suggested articles

    Preview


    To submit an update or takedown request for this paper, please submit an Update/Correction/Removal Request.